Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή μονοφασικών ανορθωτικών διατάξεων για εργαστηριακούς σκοπούς. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η κατασκευή των τριών ελεγχόμενων μονοφασικών ανορθωτών με θυρίστορ, δηλαδή του ανορθωτή ενός παλμού, του ανορθωτή δύο παλμών με μετασχηματιστή μεσαίας λήψης και της ανορθωτικής γέφυρας με τέσσερα θυρίστορ. Απώτερος στόχος είναι η πραγματοποίηση μετρήσεων τάσης και ρεύματος σε διάφορα σημεία των διατάξεων καθώς και η επικοινωνία της κατασκευής με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του οποίου θα πραγματοποιείται ο έλεγχος των διατάξεων και θα προβάλλονται οι μετρήσεις, ώστε να χρησιμοποιηθεί η διάταξη για εργαστηριακούς σκοπούς. Αρχικά εξετάζεται η δυνατότητα που υπάρχει να υλοποιηθούν και οι τρείς μονοφασικές ανορθωτικές διατάξεις με χρήση τεσσάρων μόνο θυρίστορ και ενός γενικού κυκλώματος ισχύος αντί να κατασκευαστούν τρείς ξεχωριστοί μετατροπείς. Για τον σκοπό αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν ρελέ τα οποία μεταβάλλουν την τοπολογία του κυκλώματος ισχύος ανάλογα με το ποιά ανορθωτική διάταξη είναι επιθυμητό να υλοποιείται κάθε φορά. Στη συνέχεια εξετάζονται θέματα που αφορούν την επικοινωνία της διάταξης με το χρήστη και με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή, με σκοπό την επιλογή του τρόπου λειτουργίας της καθώς και της γωνίας έναυσης των μετατροπέων, την παλμοδότηση των θυρίστορ, τον έλεγχο των ρελέ του κυκλώματος ισχύος και την τροφοδοσία των τυλιγμάτων τους, καθώς και τη χρήση μετρητικών στοιχείων τάσης και ρεύματος για την πραγματοποίηση ηλεκτρικών μετρήσεων στο κύκλωμα ισχύος. Για τη διεκπεραίωση των περισσοτέρων από αυτές τις λειτουργίες, κυρίαρχο ρόλο έχει ο μικροελεγκτής DSPIC30F4011. Το επόμενο βήμα είναι η δημιουργία ενός εικονικού οργάνου (VI) στην εφαρμογή LabVIEW μέσω του οποίου πραγματοποιείται ο έλεγχος της κατασκευής μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή και προβάλλονται οι μετρήσεις που προέρχονται από τα μετρητικά στοιχεία του κυκλώματος ισχύος. Τέλος, κατασκευάζονται οι διατάξεις στο εργαστήριο και στη συνέχεια πραγματοποιούνται μετρήσεις με σκοπό την επιβεβαίωση και την αξιολόγηση της λειτουργίας της κατασκευής. / This thesis deals with the design and construction of single-phase rectifier devices for laboratory purposes . The work was conducted in Electromechanical Energy Conversion Laboratory , Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras . The aim is the construction of the three single phase controlled thyristor rectifiers, the one pulse rectifier , the two pulses rectifier with split-winding transformer and the four thyristors bridge rectifier. The uppermost goal is to perform measurements of voltage and current at various points of the power circuit and to carry out construction-computer communication through which the construction can be controlled and electrical measurements can be viewed.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μετατροπέα ανόρθωσης και υποβιβασμού τάσης, με διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η χρήση αυτού του μετατροπέα προορίζεται για τη φόρτιση των μπαταριών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή μιας τριφασικής ανορθωτικής διάταξης υποβιβασμού τάσης η οποία θα πληρεί τις προδιαγραφές περί αρμονικών που θεσπίζονται από τους διεθνείς κανονισμούς. Η δυνατότητα λειτουργίας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος πηγάζει από τη μεθοδολογία ελέγχου του μετατροπέα ο οποίος παράλληλα θα πρέπει να επιτελεί το έργο ενός φορτιστή μπαταριών προσφέροντας τη δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος και της τάσης εξόδου και προσαρμόζοντας τη λειτουργία του στο εκάστοτε προφίλ φόρτισης των μπαταριών τις οποίες διαχειρίζεται. Αρχικά αναλύεται η σημασία της διόρθωσης του συντελεστή ισχύος στα σύγχρονα ηλεκτρικά συστήματα και παρουσιάζονται τόσο μεθοδολογίες ελέγχου όσο και ανορθωτικές διατάξεις για λειτουργία υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη αναφορά στις μπαταρίες ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας, παρουσιάζονται μέθοδοι και διατάξεις φόρτισης συσσωρευτών ενώ παράλληλα αναλύονται θέματα που αφορούν την ταχύτητα φόρτισης και την διάρκεια ζωής των μπαταριών με τελικό στάδιο την παρουσίαση των μπαταριών του ηλεκτροκίνητου οχήματος του εργαστηρίου και την επιλογή του κατάλληλου προφίλ φόρτισής με βάση τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τις προδιαγραφές τους από τον κατασκευαστή. Το επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση του τριφασικού μετατροπέα, που θα υλοποιεί το προφίλ φόρτισης που έχει επιλεγεί, αλλά και της μεθοδολογίας ελέγχου για επίτευξη ημιτονοειδούς ρεύματος εισόδου. Τόσο ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος ως φορτιστής μπαταριών όσο και το κύκλωμα ελέγχου κλειστού βρόχου προσομοιώνονται στο λογισμικό Simulink του Matlab. Επίσης περιγράφονται η ανάλυση, ο σχεδιασμός και η κατασκευή όλων των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που απαιτούνται για την ορθή λειτουργία του μετατροπέα και παρουσιάζεται η λογική λειτουργίας του μικροϋπολογιστικού συστήματος που συντονίζει τον έλεγχο. Τέλος πραγματοποιούνται οι πειραματικές δοκιμές προκειμένου να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος που κατασκευάστηκε αλλά και για να διαπιστωθούν τυχούσες αποκλίσεις μεταξύ θεωρίας και πράξης. / This diploma thesis deals with the design and construction of a buck type, unity power factor rectifier intended for electric vehicle battery charging. The work was conducted in the Electromechanical Energy Conversion Laboratory, placed at the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. The main purpose of this thesis is to construct a three-phase buck-type rectifier which meets with the requirements for low input current harmonics established by international regulations. The ability to operate under unity power factor derives from the control method of the converter. The converter will be also performing the task of a battery charger. Therefore, the overall system should be able to provide control of the output voltage and current and adjust its operation to the charging profile and the type of the battery used. Initially, the significance of power factor correction in modern electrical systems is mentioned and control methods as well as the most commonly used rectifiers for unity power factor operation are presented. Then, a brief reference to the batteries as energy storage means is made and charging methods and devices are presented. Certain issues related to charging speed and battery life are approached. The final stage is the presentation of the batteries installed in the electric vehicle of the Laboratory and the selection of the appropriate charging profile based on the technical specifications of the manufacturer. The next step is the presentation of the three-phase rectifier which realizes the selected charging profile and the control method in order to achieve sinusoidal input currents .Both the electronic power converter as a battery charger and the closed-loop control circuit are simulated using Simulink of Matlab .The analysis, design and the construction of all electrical and electronic circuits required for the proper operation of the converter is described and the programming logic of the microcontroller that coordinates the control is presented. Finally, experimental tests are performed in order to check the proper functioning of the overall constructed system and detect any deviations between theory and practice.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και το σχεδιασμό μιας τριφασικής ανορθωτικής διάταξης με την οποία επιτυγχάνεται διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός μετατροπέα ανόρθωσης ανύψωσης ο οποίος λειτουργεί σε ασυνεχή αγωγή και μπορεί να τοποθετηθεί στην έξοδο μιας ανεμογεννήτριας σαν πρώτο στάδιο σύνδεσης με το δίκτυο. Απώτερος σκοπός είναι η πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας καθώς και του μηχανισμού με τον οποίο επιτυγχάνεται η διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Αρχικά γίνεται μια γενική αναφορά στην έννοια της ποιότητας ισχύος, τα χαρακτηριστικά της μεγέθη, το συντελεστή ισχύος και τις ανώτερες αρμονικές. Επίσης αναφέρονται βασικές τριφασικές ανορθωτικές διατάξεις με διορθωμένο συντελεστή ισχύος ενώ γίνεται και μια γενική αναφορά στα αιολικά συστήματα, τον τρόπο λειτουργίας τους και την σύνδεση τους με το δίκτυο. Στη συνέχεια, αναλύεται η λειτουργία του μετατροπέα που κατασκευάστηκε κατά την διάρκεια αυτής της διπλωματικής εργασίας, δηλαδή τριφασικής διάταξης ανόρθωσης-ανύψωσης με ένα διακοπτικό στοιχείο, που λειτουργεί στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM). Ο μετατροπέας αυτός θα δέχεται πολική τάση στην είσοδο του 40-100V, ανυψώνοντας την στα 350V στην έξοδο. Παράλληλα το ρεύμα εισόδου έχει μικρό αρμονικό περιεχόμενο επιτυγχάνοντας έναν υψηλό συντελεστή ισχύος. Το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση και η προσομοίωση του μετατροπέα σε περιβάλλον Matlab/Simulink έτσι ώστε να εξακριβωθεί η ορθή λειτουργία του σύμφωνα με τη θεωρητική ανάλυση. Τέλος, μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη με την οποία διεξάγονται μετρήσεις για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / In this diploma thesis the analysis and design of a three phase rectifier achieving high power factor are presented. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of the Polytechnic School, University of Patras, Greece. The main purpose of this diploma thesis is the implementation of a Power Factor Correction Three Phase Rectifier operated in Discontinuous Current Mode (DCM) which can be used as a first stage for the connection of a small wind turbine to the grid. Through this work, the theoretical analysis and the mechanism that achieves the high power factor are verified through the implementation of a laboratory prototype. Initially, the concepts of power quality, power factor and high order harmonics are explained. Furthermore, some common power factor correction rectifier topologies are reported as well as a reference on wind turbines, their operation and their connection to the grid. Secondly, the working principle of the Single Switch Power Factor Correction DCM Boost Rectifier is presented. This converter is designed to rectify and boost the voltage of a small wind turbine, varying between 40 and 100V line to line rms, to 350Vdc. In addition the converter’s input current presents low harmonic distortion which results in a high power factor. The following step is to model and simulate the converter in Matlab/Simulink in order to verify its operation based on the theoretical analysis. Finally, a laboratory prototype is designed and implemented, on which experiments are conducted, in order to verify and evaluate the theoretical study.

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος διασυνδεδεμένου στο τριφασικό δίκτυο με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του και του καλύτερου σχεδιασμού του. Το σύστημα περιλαμβάνει τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ένα φίλτρο διασύνδεσης της γεννήτριας με τον αντιστροφέα και ένα απλοποιημένο μοντέλο του τριφασικού συστήματος. Για την εξομοίωση του κυκλώματος το οποίο είναι χρονικά μεταβαλλόμενο λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του μετατροπέα αναπτύσσεται μια συστηματική και αποτελεσματική μέθοδος για την ανάλυση κυκλωμάτων που περιέχουν e-R-L, C κλάδους και ιδανικούς διακόπτες. Χρησιμοποιώντας την τοπολογία του κυκλώματος και κατάλληλες μήτρες μετασχηματισμού οι εξισώσεις που περιγράφουν το αγώγιμο και μη αγώγιμο τμήμα του κυκλώματος προκύπτουν αυτόματα. Οι χρησιμοποιούμενες μήτρες μετασχηματισμού προκύπτουν με απλό και συστηματικό τρόπο από τις θεμελιώδης μήτρες του κυκλώματος. Σε κάθε βήμα προκύπτουν τα ρεύματα όλων των κλάδων του κυκλώματος από την επίλυση του αγώγιμου τμήματος αυτού και οι τάσεις των βαλβίδων που δεν άγουν από την επίλυση του μη αγώγιμου τμήματός του. Η μέθοδος είναι γενική και μπορεί να εφαρμοστεί για την μελέτη τυχόντων σφαλμάτων σε οποιοδήποτε τμήμα του κυκλώματος. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για λειτουργία του μετατροπέα ως ανορθωτή, ως αντιστροφέα, ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και με ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος. Το χρησιμοποιηθέν μοντέλο θα μπορούσε να βελτιωθεί αν στην θέση του τριφασικού συστήματος χρησιμοποιηθεί ακριβέστερη αναπαράσταση του τριφασικού δικτύου στην οποία να περιλαμβάνεται και ο τριφασικός μετασχηματιστής ισχύος που διασυνδέει το φωτοβολταϊκό σύστημα με το AC δίκτυο. / The objective of this “Diploma Thesis” is the simulation of a grid connected photovoltaic (PV) system and the study of its operation. The system consists of a PV generator, a DC filter and a simplified model of the three-phase system. The method which was used for the simulation of the circuit (which is a varying topology circuit due to the switching operation of the converter) is a systematic, efficient and conceptually simple method for the analysis of circuits consisting of linear e, R, L, C elements and ideal switches. On the basis of well known network topological concepts a suitable transformation tensor is constructed at every step. This tensor constitutes a flexible and powerful tool to assemble automatically the necessary on-switch current and off-switch voltage equations required for any conduction pattern. The method is general and can be applied for the study of any random faults in any part of the circuit. Results of the simulation for operation of the converter as rectifier, as inverter with battery, as inverter with PV generator and as inverter with PV generator and with MPPT are presented. The used model could be improved if the three-phase system is more precisely represented by a power three-phase transformer which connects the PV system with the AC network.

Με το πέρασμα των χρόνων, τα συστήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποκτούν ολοένα και περισσότερο μέρος στα ηλεκτρικά δίκτυα. Το ενεργειακό πρόβλημα καθώς και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον που αυτό δημιουργεί, οδηγούν σε εναλλακτικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι προστίθονται στο δίκτυο εξαρτήματα τα οποία πρέπει να λειτουργούν αρμονικά το ένα σε σχέση με το άλλο για τον κατάλληλο χειρισμό της ηλεκτρικής ισχύος. Τέτοια εξαρτήματα είναι η μονάδα μετατροπής ενέργειας, ο μετατροπέας, το φίλτρο στην έξοδο του μετατροπέα καθώς και άλλες μονάδες πολύπλοκες ή πιο απλές. Η διακοπτική λειτουργία του μετατροπέα καθώς και η στοχαστική διαδικασία της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές, προκαλούν τάσεις και ρεύματα με ανώτερες αρμονικές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα εξετάσουμε διάφορες μεδόδους ελέγχου ισχύος στην πλευρά του δικτύου, με διάφορους τύπους φίλτρων και φορτίων στην έξοδο του μετατροπέα με σκοπό να εντοπίσουμε τις ομοιότητες και τις διαφορές ανάλογα με την τοπολογία που χρησιμοποιούμε. Τα συστήματα που θα εξομοιώσουμε περιλαμβάνουν την dc διασύνδεση, έναν μετατροπέα ισχύος που λειτουργεί με την μέθοδο PWM, διάφορες τοπολογίες φίλτρων όπως RL, LC και LCL σε ισχυρό δίκτυο και τέλος με διάφορα είδη φορτίων, δηλαδή σε ασθενές δίκτυο. Οι έλεγχοι θα εφαρμοστούν στο dq σύγχρονα στρεφόμενο σύστημα αναφοράς με την συχνότητα του δικτύου, με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park έτσι ώστε να ελέγξουμε την dc τάση διασύνδεσης και να επιτύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος από την πλευρά του δικτύου. Τέλος θα προσομοιώσουμε τα παραπάνω συστήματα στο Simulink του Matlab και θα εξάγουμε τα αντίστοιχα συμπεράσματα από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. / During the years, systems of renewable energy sources are becoming more a significant part of electrical networks. The energy problem and its impact on the environment, lead to alternative methods of electricity production. This means that components added to the network must operate harmoniously in relation one to another for proper handling of electrical power. Such components are the power conversion unit, the inverter, the filter at the output of converter units and other complex or simple devices. The switching operation of the converter and the stochastic process of producing electricity from renewable sources, can provoke voltages and currents of higher harmonic spectrum. In this paper we will examine various methods to control power injected in the utility network with different types of filters and loads on the output of the converter in order to identify similarities and differences depending on the topology used. The systems will include simulation of dc link, a power converter that operates method PWM, different filter topologies such as RL, LC and LCL and then of different load topologies. The control will be applied in modern dq rotating reference system to the grid frequency, making use of the Park transformation to control the dc link voltage and succeed unit power factor in the grid side. In conclusion, simulations of these systems will be done in Simulink of Matlab and conclusions will be drowned.